Exotisches Teilchen aus sechs Quarks entdeckt?

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Eine am COSY-Beschleuniger entdeckte Resonanz könnte den ABC-Effekt erklären.

Experimente von mehr als 120 Wissenschaftlern aus sechs Ländern am Jülicher Teilchenbeschleuniger COSY geben Hinweise auf ein neues komplexes Teilchen, das einen neuen Bindungszustand oder vielleicht sogar ein bisher nur theoretisch vorhergesagtes, exotisches Hadron darstellen könnte. Gleichzeitig liefern die Messungen eine mögliche Erklärung für ein über 50 Jahre altes Rätsel – den nach den Physikern Abashian, Booth und Crowe benannten ABC-Effekt.

Bisher ließen sich bei den Hadronen nur zwei verschiedene Klassen beobachten: Mesonen und Baryonen. Erstere sind flüchtige Teilchen, die sich aus einem Quark und einem Antiquark zusammensetzen, letztere bestehen aus drei Quarks. Zu ihnen zählen unter anderem die Protonen und Neutronen, die Bausteine der Atomkerne. Vielleicht existieren aber noch weitere, komplexer aufgebaute Teilchen: die "exotischen Hadronen". Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik erlaubt neben den bekannten Baryonen und Mesonen nämlich noch verschiedene andere Arten von Hadronen, die unter den Bezeichnungen Hybride, Glueballs und Multiquarks firmieren.

Die Experimente weisen nun auf eine neue Struktur hin, die insgesamt sechs Quarks umfasst. Dabei könnte es sich um ein exotisches Teilchen handeln oder auch um ein "hadronisches Molekül", das – ähnlich wie ein gewohntes Molekül, nur in kleineren Dimensionen – aus mehreren kleinen Kernbausteinen aufgebaut ist, vielleicht ganz ähnlich einem Atomkern. Die beobachtete Struktur ist extrem kurzlebig und ließ sich nur indirekt über ihre Zerfallsprodukte nachweisen. Der schnell vergängliche Zwischenzustand existiert nur für die Dauer einer Hunderttrilliardstel Sekunde (10^-23s). In dieser Zeitspanne kommt Licht gerade einmal den Durchmesser eines kleinen Atomkerns weit. Die Resonanz könnte aber eine Lösung für den ABC-Effekt sein, eine unerklärliche Häufung neutraler Pi-Meson-Paare mit kleiner Energie bei Fusionsexperimenten mit leichten Atomkernen.

In den Experimenten am Jülicher Teilchenbeschleuniger untersuchten die Wissenschaftler die Kollision und Verschmelzung von Protonen und Neutronen zu Deuteronen und zusätzlich zwei neutralen Pi-Mesonen, kurz: Pionen. Diese ungeladenen Teilchen zerfallen in zwei Photonen. Deren präzise Vermessung mit dem WASA-Detektor erlaubte Rückschlüsse auf spezielle Eigenschaften der Resonanz, die sich konventionell nicht erklären lassen. Die beteiligten Forscher gehen deshalb von einem neuartigen Bindungszustand als Ursache aus.

Mit einem verbesserten Versuchsaufbau wollen die Wissenschaftler im kommenden Jahr testen, ob sie die exotische Resonanz auch bei elastischen Stößen ohne anschließende Deuteron-Fusionsreaktion und Pion-Produktion nachweisen können.

FZJ / OD